TWI394033B - 用於不同高度之電腦系統的風扇控制系統與方法 - Google Patents

Description

用於不同高度之電腦系統的風扇控制系統與方法

本發明係關於一種用於不同高度下皆可正常運作之電腦系統的風扇控制系統與方法。

一般電腦系統，例如個人電腦或是高階伺服器，為了散熱，會在系統內部加裝冷卻風扇。尤其是現今的中央處理器(CPU)或儲存裝置(例如記憶體或是硬碟)，因為處理速度增加，也相應地會產生高溫，而更需要利用冷卻風扇來增加散熱的效果，避免溫度過高，造成系統損壞。隨著電腦系統所處位置之高度改變，空氣密度將改變，以致於風扇速度改變使之冷卻效率也受影響。因此，為使電腦系統可正常運作於任何高度，習知皆以最高之高度，如海平面7000英呎或以上，來設計電腦系統可正常運作之風扇速度。結果，當電腦系統於較低高度使用時，將導致較該高度所需為高的風扇速度，因而浪費系統能源，且增加噪音。

存在一種風扇可監控風扇速度，且於風扇速度高於或低於估計值時，與以補償。但此種風扇不適於應用在不同高度的情況。因高度減小時，空氣密度將增加，風扇速度之減小會被此種風扇抑制，因而浪費能源；相反的，則冷卻效率受影響而無法符合系統真正需求。習知解決方案係直接利用一壓力感測器(作為高度感測器)，例如Bosch BMP085，對風扇速度提供因上述高度效應所造成之浪費的補償。然而這也將造成實施上額外成本的需求。

因此，存在一需求，以提供在不需壓力感測器且不同高度時，皆可正常運作之電腦系統，而不需額外成本，且同時達到更節能省電的效果。

本發明一方面在於提出一種用於不同高度之電腦系統的新風扇控制系統與方法，其在不需壓力感測器且不同高度下，皆可正常運作之電腦系統，因而在不需額外成本下，達成節能省電的效果。同時，本發明另一方面在於提出一種新的風扇控制系統與方法，使當電腦系統於較低高度使用時，減少風扇所發出的噪音。

根據本發明一實施例，電腦系統包含目標裝置、提供氣流予目標裝置的風扇、以及控制風扇的風扇控制系統。風扇控制系統進一步包含電流感測電路與控制器。電流感測電路在該電腦系統之風扇全轉時偵測該風扇的電流。控制器至少根據該風扇的電流，產生一控制訊號，以控制電腦裝置之風扇。此風扇可為利用脈寬調變訊號所控制的風扇。

根據本發明另一實施例，用於電腦系統的風扇控制方法。該電腦系統包含一風扇，用以提供氣流予該電腦系統中一目標裝置，該方法包含：在該電腦系統之風扇全轉時偵測該風扇的電流；以及根據該風扇的電流，產生一控制訊號，以控制該風扇。

本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包含在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。

參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。

圖1顯示一實施例中之電腦系統100之硬體架構。電腦系統100包含電源供應器102、中央處理器104、記憶體106、硬碟108、風扇110、電流感測器112、環境溫度感測器114、以及控制器116。電腦系統100的其他基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer伺服器。與本發明無關的細節將省略不予描述。

當電腦系統100運作時，電源供應器102主要提供直流電源給中央處理器104、記憶體106、硬碟108、及風扇110。需說明的是，記憶體106、硬碟108、及風扇110在本說明書中又稱為目標裝置，乃因其運作時會產生大量的熱，而風扇110的用途即是冷卻這些目標裝置(target device)。在圖1所示的實施例中，僅有中央處理器104具有風扇110，但在另外未圖示的實施例中，中央處理器104、記憶體106、硬碟108可各自具有對應的風扇，以提升散熱效率。甚至僅以一風扇對電腦系統內所有熱源提供冷卻氣流。而為了清楚說明本發明之故，以下僅利用中央處理器104與單一風扇110加以說明，但熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置。

風扇110較佳為利用脈寬調變(PWM)訊號中工作週期(duty cycle)來控制的風扇，例如Arctic Cooling公司的Freezer風扇，但風扇110亦可為一般的DC風扇，本發明並不欲加以限制。

電流感測電路112藉由提供一微小電阻(例如0.001歐姆)，以測量風扇110的電流I，而控制器116可利用所測量到的電流I，以決定輸出給風扇110之脈寬調變(PWM)訊號中之工作週期。熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置，而測量提供這些裝置散熱效果之風扇的電流供使用。

環境溫度感測器114，用來偵測電腦系統100使用環境之溫度Te(即室溫)，而較佳係設置於電腦系統100之外側。環境溫度感測器114可採用習知的數位熱感測器，而直接產生對應所感測到環境溫度的數位訊號。需注意的是，環境溫度感測器114與中央處理器104需間隔相當的距離，避免環境溫度感測器114受到中央處理器104所產生熱的影響。

控制器116包含微處理器與記憶體(未顯示)，較佳為整合在電腦系統100上主機板(未顯示)的基板管理控制器(BMC、Baseboard Management Controller)，例如Maxim公司的VSC452基板管理控制器或是ServerEngines公司的SE-SM4210-P01基板管理控制器。需說明的是，控制器116亦可實施為獨立的控制器。在本實施例中，控制器116具有A/D埠口(未顯示)，用來接收電流感測電路112所偵測到的電流I。控制器116亦具有其他的A/D埠口(未顯示)，可接收環境溫度感測器114所偵測到的環境溫度Te。此外，控制器116亦具有控制訊號輸出埠口，以輸出控制訊號至風扇110，進而控制風扇110的啟動、停止、或是轉速。

舉例來說，當風扇110為脈寬調變風扇時，則控制器116輸出不同工作週期的脈寬調變訊號來控制風扇110。另外，控制器116的記憶體也可儲存關於控制風扇所需的韌體以及一些相關之參數，例如空氣的比熱與密度、中央處理器104面對風扇氣流的截面積、中央處理器104的臨限運作溫度(外殼溫度(Case Temperature))Tm，或其他中央處理器104的參數等等。

需說明的是，隨著電腦系統所處位置之高度增加，空氣密度將減少，以致於風扇負載變小，風扇速度增加，此時風扇電流也變小。圖3(a)顯示，在25度C下，兩個同種風扇之風扇電流相對高度之關係圖；及不同高度時該兩個同種風扇之風扇電流的平均值對高度之關係圖。圖3(b)則顯示，在不同溫度時風扇之平均風扇電流對高度之關係圖。如圖示，基本上，風扇電流與高度兩者間，呈現負相關。即高度增加，風扇電流則變小。

以下將進一步說明控制器116如何決定於不同高度及不同溫度時，輸出致風扇110的實際工作週期，使電腦系統可正常運作而仍能達到節能省電的效果。首先，預先確定一標稱狀態。習知為使電腦系統可正常運作於任何高度，一般皆以系統規格指定之最高高度，如海平面7000英呎或以上，來設計電腦系統可正常運作之風扇速度。在此實施例中係以此時建立的不同的環境溫度下使電腦系統可正常運作最小PWM工作週期為標稱狀態。此時，在不同的環境溫度下，本發明之較佳實施例係可對不同電腦系統依實驗建立如表1所示之風扇表(fan table)。如表1所示，其中每一列表示該環境溫度下，輸出給風扇使電腦系統可正常運作的最小PWM工作週期。

接著，偵測出該電腦系統於不同高度時，風扇110在全轉 時之風扇電流範圍，可對不同電腦系統依實驗建立如下表2所示之其壓力等級(pressure rating)調整因數表。如表2所示，其中最後一列表示該系統規格指定之最高高度(如海平面7000英呎或以上)之標稱狀態下，壓力等級為1，即此時電腦系統可正常運作的最小PWM工作週期不需調整。其他列則表示於不同高度時，該風扇電流範圍下，輸出給風扇使電腦系統仍可正常運作的最小等級，作為壓力等級調整因數，以取代習知作為高度感測器之壓力感測器的功能。

圖2顯示本發明風扇控制方法之流程圖，並配合圖1說明本發明。在步驟200中，於電腦系統啟動(Startup)時，電流感測電路112偵測電腦系統於其工作高度下，風扇110在全轉時之風扇電流。在步驟202中，環境溫度感測器114偵測電腦系統100所在之環境溫度。在步驟204中，決定該偵測得之電流所代表高度的壓力等級調整因數。步驟206中，取得系統規格指定之最高高度之標稱狀態時，該環境溫度下，輸出給風扇使電腦系統可正常運作的最小PWM工作週期。在步驟208中，控制器116將該環境溫度下之標稱狀態時最小PWM工作週期乘上代表該電腦系統之工作高度的該壓力等級調整因數，以獲得實際送至風扇之工作週期。

如前述中央處理器104、記憶體106、硬碟108可各自具有對應的風扇110以提升散熱效率。熟此技藝者，可將前述中央處理器104之風扇控制方法實施例應用於記憶體106、硬碟108或是在電腦系統中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置之對應的風扇。

在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。

100．．．電腦系統

102．．．電源供應器

104．．．中央處理器

106．．．記憶體

108．．．硬碟

110．．．風扇

112．．．電流感測電路

114．．．環境溫度感測器

116．．．控制器

為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：

圖1一種依據本發明一具體實施例之電腦系統。

圖2為一種依據本發明一具體實施例之方法流程圖。

圖3(a)顯示，在25度C下，兩個同種風扇之風扇電流相對高度之關係圖；及不同高度時該兩個同種風扇之風扇電流的平均值對高度之關係圖。圖3(b)則顯示，在不同溫度時風扇之平均風扇電流對高度之關係圖。

Claims (23)

1. 一種用於不同高度之電腦系統的風扇控制系統，該電腦系統包含一風扇，用以提供氣流予該電腦系統中一目標裝置，該風扇控制系統包含：一電流感測電路，在該電腦系統之風扇全轉時偵測該風扇的電流；以及一控制器，根據該風扇的電流，產生一控制訊號，以控制該風扇，其中，該風扇電流與高度兩者間，呈負相關。
2. 如請求項1之風扇控制系統，其中該電腦系統係在啟動時全轉。
3. 如請求項2之風扇控制系統，更包含：一環境溫度感測器，偵測該電腦系統所在之一環境溫度；其中該控制器進一步根據該環境溫度，控制該風扇。
4. 如請求項1或2或3之風扇控制系統，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
5. 如請求項4之風扇控制系統，其中該控制器儲存一風扇表，該風扇表包含該電腦系統規格指定之最高高度下，不同的環境溫度時，使該電腦系統可正常運作之PWM工作週期。
6. 如請求項5之風扇控制系統，其中該控制器儲存一壓力等級調整因數表，該壓力等級調整因數表包含於不同高度時，輸出給風扇使電腦系統仍可正常運作的等級。
7. 如請求項6之風扇控制系統，其中該控制器將該環境溫度下之相應PWM工作週期乘上該風扇的電流相應之代表該電腦系統之工作高度的該壓力等級調整因數，以獲得實際送至風扇之工作週期。
8. 一種電腦系統，包含：一目標裝置；一風扇，用以提供氣流予該目標裝置；以及一用於不同高度之電腦系統的風扇控制系統，包含：一電流感測電路，在該電腦系統之風扇全轉時偵測該風扇的電流；以及一控制器，根據該風扇的電流，產生一控制訊號，以控制該風扇，其中，該風扇電流與高度兩者間，呈負相關。
9. 如請求項8之電腦系統，其中該電腦系統係在啟動時全轉。
10. 如請求項9之電腦系統，其中該風扇控制系統更包含：一環境溫度感測器，偵測該電腦系統所在之一環境溫度；其中該控制器進一步根據該環境溫度，控制該風扇。
11. 如請求項8或9或10之電腦系統，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
12. 如請求項11之電腦系統，其中該目標裝置為一中央處理器。
13. 如請求項12之電腦系統，更包含一基板管理控制器，其中該 風扇控制系統之該控制器係整合至該基板管理控制器。
14. 如請求項11之電腦系統，其中該控制器儲存一風扇表，該風扇表包含該電腦系統規格指定之最高高度下，不同的環境溫度時，使該電腦系統可正常運作之PWM工作週期。
15. 如請求項14之電腦系統，其中該控制器儲存一壓力等級調整因數表，該壓力等級調整因數表包含於不同高度時，輸出給風扇使電腦系統仍可正常運作的等級。
16. 如請求項15之電腦系統，其中該控制器將該環境溫度下之相應PWM工作週期乘上該風扇的電流相應之代表該電腦系統之工作高度的該壓力等級調整因數，以獲得實際送至風扇之工作週期。
17. 一種用於不同高度之電腦系統的風扇控制方法，該電腦系統包含一風扇，用以提供氣流予該電腦系統中一目標裝置，該方法包含：在該電腦系統之風扇全轉時偵測該風扇的電流；以及根據該風扇的電流，產生一控制訊號，以控制該風扇，其中，該風扇電流與高度兩者間，呈負相關。
18. 如請求項17之方法，其中該電腦系統係在啟動時全轉。
19. 如請求項18之方法，更包含；偵測該電腦系統所在之一環境溫度； 其中控制該風扇之步驟更包含：進一步根據該環境溫度訊號，控制該風扇。
20. 如請求項17或18或19之方法，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
21. 如請求項20之方法，更進一步包含儲存一風扇表，該風扇表包含該電腦系統規格指定之最高高度下，不同的環境溫度時，使該電腦系統可正常運作之PWM工作週期。
22. 如請求項21之方法，更進一步包含儲存一壓力等級調整因數表，該壓力等級調整因數表包含於不同高度時，輸出給風扇使電腦系統仍可正常運作的等級。
23. 如請求項22之方法，更進一步包含將該環境溫度下之相應PWM工作週期乘上該風扇的電流相應之代表該電腦系統之工作高度的該壓力等級調整因數，以獲得實際送至風扇之工作週期的步驟。